Teleskopstapler: Physikalische Grundlagen

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Teleskopstapler: Physikalische Grundlagen für Fahrer und Bediener

Wer einen Teleskopstapler bedient oder mit einem solchen Arbeitsgerät agiert, muss die dafür relevanten physikalischen Grundlagen und Zusammenhänge kennen und verstehen. Der folgende Grundlagenartikel stellt diese übersichtlich und jeweils mit konkretem Bezug auf die Arbeit mit einem Teleskopstapler dar.

Teleskoplader im Einsatz © Bobcat
Teleskoplader im Einsatz in der Recyclingindustrie © Bobcat

Masse oder Gewicht

Während der Begriff „Masse“ physikalisch korrekt ist, hat sich umgangssprachlich eher die Vokabel „Gewicht“ eingebürgert. Beides meint jedoch im Grundsatz dasselbe. Die Masse errechnet sich aus der Dichte eines Materials und dem jeweiligen Volumen und wird in der Einheit Kilogramm gemessen. Daher kann die Masse eines Körpers berechnet oder einfach gewogen werden.

Masse (kg) = Dichte (kg/m³) * Volumen (m³)

Kräfte

Die Masse ist deswegen von elementarer Bedeutung, weil sie entscheidend die verschiedenen Kräfte beeinflusst, die auf sie einwirken. Konkret sind das die Gewichtskraft, Druck- und Zugkräfte, Fliehkraft und Reibungskraft. Die Einheit für Kraft ist das Newton.

Kraft (N) = Masse (kg) * Beschleunigung (m/s²)
Kräfte beeinflussen die Arbeit mit Teleskopstaplern
Kräfte beeinflussen die Arbeit mit Teleskopstaplern

Da sich die Erde in einer ständigen Rotationsbewegung um sich selber befindet, wirkt auf jeden Körper, der sich auf der Erde befindet, die Schwerkraft. Die hierfür relevante Erdbeschleunigung ist physikalisch betrachtet eine Konstante von 9,81 m/s², die auch gleichzeitig für die Ermittlung der Gewichtskraft jedes Körpers in die o. g. Gleichung eingesetzt werden kann.

Trägheitskraft/Masseträgheit

Neben der Gewichtskraft spielt die Trägheitskraft oder auch Masseträgheit eine wesentliche Rolle. Denn jeder Körper ist bestrebt, seinen momentanen Bewegungszustand beizubehalten. Das betrifft sowohl einen ruhenden Körper (beispielsweise ein Auto, das nicht anspringt und angeschoben werden muss) als auch einen Körper in Bewegung (ein Auto rollt auch ohne zusätzliche Beschleunigung einen steilen Abhang hinunter).

Die Masseträgheit wird immer dann besonders deutlich, wenn sich der Bewegungszustand in kürzester Zeit, also innerhalb von Sekunden(-Bruchteilen) ändert: Ein Auto, das aus voller Fahrt gegen ein stehendes Hindernis prallt, wird durch den Aufprall erheblich verformt, und die Insassen werden nach vorne geschleudert. Bei einem Teleskopstapler kann das ebenfalls sehr dramatisch werden, denn auf eine am Teleskoparm hängende Last wirkt ebenfalls die Masseträgheit: Fährt der Stapler sehr schnell an oder bremst abrupt, wird die Last ihre Bewegung trotzdem fortsetzen und ins Pendeln geraten. Je höher und länger der Lastarm und je größer die Masse der Last, desto weiter und länger wird sie pendeln.

Teleskopstapler in der Landwirtschaft © CLAAS
Teleskopstapler in der Landwirtschaft © CLAAS
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Fliehkraft

Auch die Fliehkraft ist für die Arbeit mit einem Teleskopstapler wichtig. Sie tritt bei Kreis- bzw. Drehbewegungen auf und zieht die Masse von der Drehachse nach außen weg. Was beim Kettenkarussell kontrolliert geschieht und den Fahrgästen viel Spaß macht, kann bei einem an einem Drahtseil befestigten Behälter, der am Telekoparm schwebt, schnell zu einer Gefahr für das Gerät und die Umwelt werden. Und das nicht nur bei Rotationsbewegungen: Auch in Kurvenfahrten wirkt die Fliehkraft deutlich spürbar, denn sie ist es, die Fahrer und Beifahrer bei einer schnellen Linkskurve nach rechts zieht und umgekehrt.

Die Fliehkraft bei kleinem Wendekreis ist gefährlich
Die Fliehkraft bei kleinem Wendekreis ist gefährlich

Reibungskraft

Die Reibungskraft wirkt zwischen zwei sich berührenden Körpern, die sich gegeneinander bewegen und durch die Reibungskraft gegenseitig in der Bewegung hemmen. Wie stark die Reibungskraft wirkt, hängt unter anderem davon ab, wie die Oberflächen der beiden Körper beschaffen und strukturiert sind. Eine glatte Schlittschuhkufe kann auf Eis nahezu ohne Reibung gleiten, auf einer Eisfläche mit Rollsplit hingegen kaum noch. Feuchtigkeit, Öl oder der Untergrund selber können die Reibung erhöhen, etwa die Fahrt auf einem Gefälle.

Teleskoplader im Einsatz beim Metallrecycling © SENNEBOGEN
Teleskoplader im Einsatz beim Metallrecycling © SENNEBOGEN

Es werden drei Formen der Reibung unterschieden:

  • Haftreibung: Dieses ist die stärkste Form der Reibung, bei der ein Körper auf einem anderen haftet, etwa der Reifen, der auf dem Asphalt haftet und so das stehende Auto auch auf Gefälle daran hindern, talabwärts zu rutschen.
  • Rollreibung: Hier rollt ein Körper auf einem anderen, etwa die Reifen während der Fahrt auf der Straße. Die hierbei auftretenden Reibungskräfte sind am geringsten.
  • Gleitreibung: Ein Körper gleitet auf dem anderen, beispielsweise bei einer Vollbremsung mit blockierenden Reifen.

Hebelgesetz

Teleskopstapler arbeiten nach dem Prinzip des Hebelgesetzes, das jeder vom Spielplatz und der dortigen Wippe kennt: Eine Wippe besteht aus einem mittigen Drehpunkt, an dem sie aufgehängt ist, sowie den beiden Plattformen an den Außenseiten, physikalisch der „Lastarm“ und der „Kraftarm“. Bei einem gleichmäßig verteilten Gewicht müssen Last- und Kraftarm gleich lang sein, damit die Wippe sich im Gleichgewicht befindet – zumindest, wenn weitere Kräfte wie Beschleunigung, Bremsen, Pendelbewegungen etc. nicht berücksichtigt werden.

Ein größeres Gewicht an der einen Seite kann durch eine Verkürzung des gegenüberliegenden Armes um den gleichen Faktor ausgeglichen werden: Doppeltes Gewicht auf dem Lastarm erfordert einen um die Hälfte kürzeren Kraftarm für ein erneutes Gleichgewicht.

Auf den Teleskopstapler übertragen, ist der Drehpunkt der Schwerpunkt des Gerätes, der Lastarm das Teleskop samt Last und der Kraftarm das Gegengewicht der Maschine. Aus diesem Grund gilt bei Teleskopstaplern und auch bei anderen Flurförderzeugen mit einem Lastarm, dass die zulässige Masse mit zunehmender Entfernung der Last vom Schwerpunkt des Gerätes immer geringer wird. Denn nur so kann der nicht anpassbare Kraftarm des Staplers die Last noch zuverlässig halten. Anders als bei einer Wippe muss der Kraftarm beim Umgang mit Lasten auf Staplern, Kranen oder Teleskopstaplern immer mehr Masse aufweisen als der Lastarm. Schon bei einem ausgeglichen Verhältnis würde die Maschine nicht mehr sicher auf allen Rädern stehen, sondern schwanken und damit instabil werden.

Wichtig: Auf keinen Fall darf das Gegengewicht eines Staplers oder Teleskopstaplers durch unzulässige Maßnahmen erhöht werden. So ist es insbesondere verboten, dass Personen als zusätzliches Gegengewicht eingesetzt werden. Und auch andere Optionen, beispielsweise eine Konterpalette oder andere bauliche Veränderungen, sind nur dann zulässig, wenn sie vom Hersteller des Gerätes zugelassen und abgenommen wurden.

Moment

Physikalisch betrachtet ist ein Moment oder Drehmoment eine zusammengesetzte Größe aus der Kraft und der Länge des Hebelarms, also der Strecke, auf die diese Kraft wirkt.

Moment (Nm) = Kraft (N) * Hebelarm (m)
Was versteht man unter Lastmoment und Standmoment
Was versteht man unter Lastmoment und Standmoment

Bei Teleskopstaplern spielen vor allem das Last- und das Standmoment eine wesentliche Rolle. Damit das Gerät immer sicher steht, muss zu jeder Zeit das Lastmoment kleiner als das Standmoment sein. Ist das nicht der Fall, gerät die Maschine ins Kippen und kann umfallen.

Schwerpunkt

Der Schwerpunkt eines Körpers stellt den Bereich dar, an dem die von außen wirkenden Kräfte auf den Körper wirken. So liegt der Schwerpunkt bei einem runden Brett in der Mitte des Kreises, bei einer (gleichmäßig) beladenen Gitterbox in der Mitte der Box, wo sich die Diagonalen treffen. Der Schwerpunkt verlagert sich mit der Masse. Wenn also beispielsweise drei Gitterboxen übereinander gestapelt werden und dabei die oberste Box die größte Einzelmasse darstellt, liegt der Schwerpunkt oberhalb der Mitte. Die Konstruktion ist damit besonders instabil.

Aus diesem Grund müssen Lasten mit einem Stapler oder Teleskopstapler immer möglichst bodennah verfahren werden, um den Schwerpunkt von Last und Stapler nicht mehr als unvermeidbar nach oben zu verlagern.

Standsicherheit – Kippkanten

Jedes Fahrzeug hat einen Schwerpunkt, der sich innerhalb der Fahrzeuggrundform befindet. Ein Stapler mit Hubmast hat ein sogenanntes Standsicherheitsdreieck. Beim Auto ist es ein Standsicherheitsviereck, weil Vorder- und Hinterachse gleich lang sind und das Fahrzeug seine Gesamtmasse gleichmäßig auf alle vier Räder verteilt.

Neben dem sich so ergebenden Fahrzeugschwerpunkt ist der Lastschwerpunkt die zweite wichtige Größe. Denn beide zusammen ergeben den für die Standsicherheit entscheidenden Gesamtschwerpunkt. Der Fahrzeugschwerpunkt verändert sich im Betrieb nicht, wohl aber der Lastschwerpunkt, der von der Masse der Last, ihrer Position am Lastarm, ihrem Bewegungszustand etc. abhängt.

Teleskopstapler im Einsatz © Haulotte
Teleskopstapler im Einsatz © Haulotte

Damit beim Umgang mit der Last trotzdem nichts passiert, darf der Gesamtschwerpunkt der Maschine nicht über die Kippkanten hinausgeraten. Aus diesem Grund müssen die Tragfähigkeitsdiagramme des Herstellers genau beachtet und die dort als zulässig genannten Masseobergrenzen eingehalten werden. Das gilt in besonderem Maße auch dann, wenn die Maschine nicht waagerecht steht, sondern auf einer schrägen Ebene. Denn das führt dazu, dass sich der Gesamtschwerpunkt der bergabwärts gelegenen Kippkante nähert, was ein Kippen in diese Richtung begünstigt.

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